A Multibody Approach for Spacecraft Docking

Rendez-Vous Docking or Berthing (RVD/B) technology and techniques are used to resupply orbital platforms and stations, switch crews in orbital stations, repair spacecraft in orbit, retrieve and capture spacecraft to bring them back to Earth and re-join orbiting vehicles from the ground. Docking is the act of two spacecraft joining and sealing to one another with a Guidance Navigation and Control (GNC) system active until the first touch. This thesis models a docking system using multibody dynamics, for its integration into algorithms for optimization of guidance and navigation, or attitude and dynamics determination and control. The system is described in the International Docking System Standard and aims to simulate multibody docking mechanics, considering more accurate off-nominal situations. The thesis deal with the system modelization from a different point of view with respect to via Finite Element Method (FEM) are suitable, FEM is suitable for detailed mechanical analysis, but balancing the computational efficiency and accuracy required in an integrated design calls for a different approach. This work tries to provide a design tool, taking into account the docking simulation from its early stages. On the opposite, an approach expressing and coding the Equations of Motion directly should constrain the model to a specific problem, not easily enabling a straight way to improve hierarchically the simulation. The aim of this thesis work is to define a proper simulation environment to model both the docking dynamics and control logic in the most embedded way between different fields such as GNC design, Attitude Determination and Control System (ADCS) design, Multibody System Dynamics design and Structures and Mechanisms design, in this way the docking problem can be fully addressed.

Il Rendez-Vous Docking o Berthing (RVD/B) con le sue tecnologie e tecniche è il modo tramite il quale si riesce a rifornire le stazioni orbitali, scambiarne gli equipaggi, riparare le navicelle spaziali e i satelliti, recuperare e catturare i satelliti per riportarli sulla Terra o ricongiungersi con i veicoli in orbita, partendo dal suolo. Il docking viene definito come l'atto di due veicoli spaziali che attraccano e si pressurizzano tramite un sistema di Guidance Navigation and Control (GNC) attivo fino al primo tocco. Questa tesi cerca modellare il sistema di attracco dal punto di vista della dinamica multibody, per la sua integrazione in algoritmi come l'ottimizzazione della guida, navigazione e controllo e la determinazione dell'assetto e dinamica del veicolo. Il sistema presentato è descritto nell'International Docking System Standard e mira a simulare la meccanica del docking, provando a definire situazioni non-nominali più accurate. La modellazione e la simulazione del docking può essere effettuata tramite il metodo degli elementi finiti, adatti per l'analisi meccanica dettagliata, ma non a bilanciare l'efficienza computazionale e l'accuratezza richieste in un design integrato. Questo lavoro fornisce un primo strumento di progettazione, tenendo conto della simulazione del docking, fin dalle sue prime fasi. Al contrario, una modellazione che scriva direttamente le equazioni del moto non permetterebbe di mantenere semplice l'integrazione di sviluppi futuri, così che l'idea di avere un carattere generale dello studio venga meno. L'obiettivo di questa tesi è di definire un ambiente di simulazione adeguato al fine di modellare l'attracco e la logica di controllo nel modo più integrato possibile tra diversi campi dell'ingegneria spaziale, come il design della GNC o il design dell'Attitude Determination and Control System (ADCS) oppure la progettazione della dinamica dei sistemi Multibody o delle Strutture e Mecchanismi, tutto ciò per affrontare un design del docking nella maniera più completa.